“操作系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課程分層教學(xué)探討

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摘要:本文分析了我?！安僮飨到y(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀,針對存在的問題和課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的要求,提出了分層、分階段的實(shí)驗(yàn)構(gòu)想,以逐步引導(dǎo)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情,并調(diào)動(dòng)學(xué)生積極思維和提高創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞:操作系統(tǒng);實(shí)驗(yàn)教學(xué);分層體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào):G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

1引言

我校是一所以經(jīng)濟(jì)、管理類學(xué)科為主,法、工、文、理等學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的多科性大學(xué)。信息管理學(xué)院的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)與信息管理專業(yè)開設(shè)了“操作系統(tǒng)”課程。近幾年來,學(xué)院圍繞著培養(yǎng)創(chuàng)業(yè)型人才的辦學(xué)理念和專業(yè)課程建設(shè)的指導(dǎo)思想,在該課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行了諸多實(shí)踐改革嘗試和理論研討。

“操作系統(tǒng)”是一門理論性很強(qiáng)的課程,教材原理性內(nèi)容相對抽象,難以理解,因而必須輔以實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)加深學(xué)生對理論知識(shí)的消化,進(jìn)而深刻理解操作系統(tǒng)的本質(zhì),從而在未來的工作中利用所學(xué)到的知識(shí)解決實(shí)際的問題。為此,我?！安僮飨到y(tǒng)”課程組圍繞“大學(xué)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要包括原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)環(huán)節(jié)”的指導(dǎo)思想進(jìn)行了深入剖析,努力尋找一個(gè)適合我校實(shí)際情況的“操作系統(tǒng)”實(shí)驗(yàn)課程方案。本文將結(jié)合我校實(shí)際教學(xué)情況,探討操作系統(tǒng)分層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

2我校“操作系統(tǒng)”教學(xué)現(xiàn)狀

雖然在以往“操作系統(tǒng)”課程的教學(xué)中我們?nèi)〉昧瞬簧俳?jīng)驗(yàn),但尚存在諸多不足,很多地方有待進(jìn)一步的研討及改善,針對實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在的問題有以下幾個(gè)方面。

(1) 理論課與實(shí)驗(yàn)性課程相對獨(dú)立

長期以來,在專業(yè)課程的設(shè)置中,我們將“操作系統(tǒng)”課程教學(xué)分成兩門課,一門是“操作系統(tǒng)”,屬于專業(yè)必修課,在大二下學(xué)期開設(shè),沒有配置實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí);另一門是“Linux操作系統(tǒng)”,屬于專業(yè)選修課,在大三上學(xué)期開設(shè)。對于前者,教師在課堂內(nèi)主要講授操作系統(tǒng)原理相關(guān)內(nèi)容,學(xué)生只在課余自行做一些驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)來消化理解部分理論知識(shí)。對后者,以Linux為實(shí)例全面介紹操作系統(tǒng)的管理功能進(jìn)行教學(xué),主要介紹Linux實(shí)現(xiàn)原理并配置32學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)課時(shí),但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容未做系統(tǒng)規(guī)劃,實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)不完整,并缺少層次性。要求學(xué)生完成的只是一些基礎(chǔ)驗(yàn)證性及簡單應(yīng)用性實(shí)驗(yàn),無法讓學(xué)生全面理解操作系統(tǒng)的本質(zhì)。

(2) 專業(yè)課程設(shè)置學(xué)時(shí)不足

由于學(xué)校采用學(xué)分制,為了讓學(xué)生能在前三年修滿基本學(xué)分(使得學(xué)生在四年級(jí)時(shí)專注于畢業(yè)論文、實(shí)習(xí)和找工作),我校在制定教學(xué)計(jì)劃時(shí)將大部分課程安排在前三學(xué)年,這種壓縮式的安排對專業(yè)課程形成了沖擊,使得教學(xué)計(jì)劃中的專業(yè)課課時(shí)數(shù)不得不擠壓(一部分課程壓縮了實(shí)驗(yàn)課時(shí))。同時(shí),由于學(xué)生每學(xué)期所修課程較多,難以有時(shí)間和精力來完成復(fù)雜的綜合性實(shí)驗(yàn),而具有創(chuàng)新性的、工程項(xiàng)目式的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)更是無法開展。

(3) 實(shí)驗(yàn)設(shè)置缺乏層次性

實(shí)驗(yàn)設(shè)置沒有考慮實(shí)驗(yàn)對象群體的差異性以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上的循序漸進(jìn)、難度逐漸增加的層次性,對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不利,未能體現(xiàn)素質(zhì)教育的宗旨。主要內(nèi)容停留在對主流操作系統(tǒng)(Windows和Unix/Linux) 的命令使用、系統(tǒng)配置管理等驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),以及編寫程序來模擬實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)中的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及算法。所有學(xué)生做相同實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)難度相同,學(xué)有余力的學(xué)生缺少激勵(lì),其潛能得不到挖掘。這些內(nèi)容雖然對學(xué)生了解操作系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)、去除操作系統(tǒng)的神秘感是有所裨益的,但對學(xué)生深入理解系統(tǒng)內(nèi)核整體結(jié)構(gòu)、內(nèi)核的運(yùn)作機(jī)理、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)沒有太多幫助。

(4) 專業(yè)課程設(shè)計(jì)缺少相應(yīng)的內(nèi)容

雖然針對高年級(jí)學(xué)生也開設(shè)了“專業(yè)課程設(shè)計(jì)”課,但學(xué)院對專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)定位在培養(yǎng)應(yīng)用性人才上。學(xué)生選修課程設(shè)計(jì)時(shí)大部分并不選擇操作系統(tǒng)這一方向(大部分學(xué)生選擇應(yīng)用軟件的開發(fā),如相對簡單一些的MIS系統(tǒng)開發(fā),這是一個(gè)不爭的事實(shí))。學(xué)生學(xué)習(xí)“操作系統(tǒng)”的目的停留在運(yùn)用好操作系統(tǒng),使得計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟、硬件資源利用率能最大化,以及維護(hù)系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行等上面,而不去考慮將來如何去設(shè)計(jì)、開發(fā)和修改操作系統(tǒng)功能。

3我?！安僮飨到y(tǒng)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容分層體系的構(gòu)想

針對我校“操作系統(tǒng)”教學(xué)目前的現(xiàn)狀,“操作系統(tǒng)”課程組提出了從課程設(shè)置和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上進(jìn)一步改革課程體系、內(nèi)容的方案。

教學(xué)計(jì)劃的制定以“素質(zhì)教育、能力培養(yǎng)”為指導(dǎo)思想,內(nèi)容上要體現(xiàn)“以人為本,因人而異”。在“操作系統(tǒng)”教學(xué)大綱中增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)內(nèi)容,增加教師全程指導(dǎo)的課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課時(shí)。實(shí)驗(yàn)的體系結(jié)構(gòu)從內(nèi)容的選擇、層次結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)三個(gè)角度來考慮。

(1) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇

在選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí),從操作系統(tǒng)的基本原理出發(fā),將實(shí)驗(yàn)內(nèi)容組織成四部分:驗(yàn)證性觀察性實(shí)驗(yàn)、算法模擬性實(shí)驗(yàn)、利用系統(tǒng)調(diào)用進(jìn)行應(yīng)用性綜合性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。

① 驗(yàn)證觀察性實(shí)驗(yàn)主要包括:利用操作系統(tǒng)的shell命令完成系統(tǒng)的一些管理工作、利用系統(tǒng)提供的一些工具觀察程序運(yùn)行期間系統(tǒng)如何進(jìn)行管理及調(diào)度(如Solaris中的MDB和DTrace工具)。通過這些實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以體會(huì)系統(tǒng)的管理過程,加深對原理性內(nèi)容的理解。

② 算法模擬性實(shí)驗(yàn)主要包括:利用C或C++程序設(shè)

計(jì)語言來模擬實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的部分功能(如進(jìn)程的調(diào)度和內(nèi)存分配),指導(dǎo)學(xué)生閱讀分析Linux操作系統(tǒng)相應(yīng)功能的開放源代碼并進(jìn)行分析比較,總結(jié)實(shí)驗(yàn)的得與失。將抽象的概念消融在具體的代碼實(shí)現(xiàn)中,讓學(xué)生加深對現(xiàn)代操作系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)理解和運(yùn)用。

③ 應(yīng)用性、綜合性實(shí)驗(yàn)主要包括:利用操作系統(tǒng)提供的系統(tǒng)調(diào)用接口來編寫并發(fā)程序,讓學(xué)生選做一些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序,數(shù)據(jù)庫應(yīng)用、管理程序,或某些設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。通過這些實(shí)驗(yàn)將學(xué)生學(xué)習(xí)過的其它計(jì)算機(jī)課程知識(shí)與操作系統(tǒng)理論知識(shí)緊密聯(lián)系起來,達(dá)到對計(jì)算機(jī)部分領(lǐng)域知識(shí)的融會(huì)貫通。

④ 創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)主要包括:對部分有能力的學(xué)生,鼓勵(lì)、幫助他們大量閱讀、分析操作系統(tǒng)源代碼,使得他們掌握操作系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思想,安排他們嘗試編寫代碼來替換或擴(kuò)充具體操作系統(tǒng)的功能,甚至組織興趣小組來試著構(gòu)建一個(gè)簡單、但功能完備的小型操作系統(tǒng)。

(2) 實(shí)驗(yàn)層次的劃分

根據(jù)上面確立的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,將試驗(yàn)劃分成三個(gè)層次,內(nèi)容由淺入深,并按層次組織實(shí)驗(yàn)對象單位,實(shí)驗(yàn)難度按層次由上向下逐漸增加,參與不同層次的實(shí)驗(yàn)對象所要求掌握的知識(shí)結(jié)構(gòu)也有所不同,具體如圖1所示。

第一層實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對簡單,實(shí)驗(yàn)安排在大二下學(xué)期“操作系統(tǒng)”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中,全體專業(yè)學(xué)生都要選修。此時(shí)學(xué)生對程序設(shè)計(jì)語言工具掌握駕馭不足,可由課任教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)、助教輔助組織實(shí)施。

第二層實(shí)驗(yàn)安排在大三上學(xué)期的“Linux操作系統(tǒng)”課內(nèi)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中,有興趣選修的學(xué)生數(shù)量相對較減少,可將學(xué)生分組選題開展實(shí)驗(yàn),由課任教師直接負(fù)責(zé)并組織實(shí)施。

第三層的實(shí)驗(yàn)難度大,留到大四學(xué)生有充足時(shí)間時(shí)開展,實(shí)行導(dǎo)師負(fù)責(zé)制。由導(dǎo)師出題,將學(xué)生組織成課外科研小組,結(jié)合當(dāng)前主流操作系統(tǒng)開展研究性活動(dòng)。對有一定價(jià)值的研究課題可直接轉(zhuǎn)入到畢業(yè)設(shè)計(jì)范疇。

(3) 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的選擇應(yīng)結(jié)合目前操作系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,并充分考慮學(xué)生將來的就業(yè)口徑。

我們的專業(yè)是設(shè)置在財(cái)經(jīng)院校的框架下,將來有很多的學(xué)生可能就業(yè)在金融業(yè)、電信業(yè)、保險(xiǎn)業(yè)、商業(yè)等行業(yè),這些行業(yè)選擇用的操作系統(tǒng)是我們選擇實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)優(yōu)先考慮的,另一個(gè)因素是系統(tǒng)源代碼是否開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)上的互動(dòng)學(xué)習(xí)社區(qū)是否豐富。綜合考慮這兩點(diǎn),我們選擇了Linux和Solaris作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),而且它們都提供了交互式多任務(wù)的終端,易于學(xué)生觀察分析現(xiàn)代操作系統(tǒng)的多線程機(jī)制。值得欣喜的是,它們還同屬一個(gè)家族,學(xué)習(xí)的負(fù)擔(dān)不至于太重。